环境微生物学讲义4汇总ppt课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,环境微生物学,Environmental Microbiology,郑州大学生物工程系,席 宇,第四章,微生物与生物地球化学循环,1.微生物与碳循环,2.微生物与氮循环,3.其他无机元素的生物循环与转化,4.微生物元素循环对环境造成的污染和危害,主 要 内 容,自然界的,生物地球化学循环,：,Biogeochemical cycle,在自然界中，生物所需要的各种化学元素，通过生物的生命活动，一方面合成有机物质组成生命体；另一方面这些有机物又被分解成无机物而返回自然界由此，元素不断的在,生命物质状态,和,非生命物质状态,之间循环，组成地球上的物质循环，即,生物地球化学循环,1、无机物的有机质化，即生物合成作用；,2、有机物质的无机质化，即,矿化作用,（,mineralization,）,或,分解作用,(,decomposition)这两个过程既对立、又统一，构成了自然界的物质循环微生物在有机质的矿质化过程中起着,主导,作用,微生物在生态系统中的地位,生态系统：,生物群落,非生物环境,物质循环,能量流动,生产者（,producer）：,从无机物合成有机物,分解者(,decomposer)：,分解有机物成无机物,消费者(,consumer)：,利用有机物进行生活，一般不能将有,机物直接分解成无机物,微生物可以在多个方面但主要作为,分解者,而在生态系统中起重要作用,微生物在生态系统中的地位,1、微生物是有机物的主要分解者；,微生物最大的价值也在于其分解功能。

它们分解生物圈内存在,的动物和植物残体等复杂有机物质，并最后将其转化成最简单,的无机物，再供初级生产者使用2、微生物是物质循环中的重要成员；,微生物参与所有的物质循环，大部分元素及其化合物都受到微,生物的作用在一些物质的循环中，微生物是主要的成员，起,主要作用；而一些过程只有微生物才能进行，起独特作用；而,有的是循环中的关键过程，起关键作用3、微生物是生态系统中的初级生产者；,光能营养和化能营养微生物是生态系统的初级生产者，它们具,有初级生产者所具有的二个明显特征，即可直接利用太阳能、,无机物的化学能作为能量来源，另一方面其积累下来的能量又,可以在食物链、食物网中流动4、微生物是物质和能量的贮存者；,微生物和动物、植物一样也是由物质组成和由能量维持的生命,有机体在土壤、水体中有大量的微生物生物量，贮存着大量,的物质和能量5、微生物在地球生物演化中的作用；,微生物是最早出现的生物体，并进化成后来的植、动物作准备藻类的产氧作用，改变大气圈中的化学组成，为后来动、植物出现打下基础一、碳素的生物循环（,carbon cycle）,自然界的,碳循环,主要包括空气中,CO,2,经光合作用形成有机物，以及有机物被分解为,CO,2,回归到大气中,碳是构成生物体的主要元素，占生命物质总量的25%。

碳是生物体最重要的一种元素，没有碳就没有生命碳循环是自然界,最基本,的物质循环,把,CO,2,转变为有机物的过程为,碳素同化作用,有机物分解为无机碳的过程为,碳素异化作用,植物和藻类的碳素,动物的碳素,大气中的,CO,2,水土及沉积物中的有机物质,光合作用,呼吸作用,微生物呼吸,微生物降解,微生物降解,1、碳素循环基本过程,2、微生物与含碳有机物的分解,（一）复杂有机物分解为简单有机物,（二）简单有机物的有氧分解,（三）简单有机物的无氧分解及甲烷的形成,微生物分泌,胞外酶类,使基质分解为简单的可溶性有机物后吸收到体内加以利用简单的有机物被各类好氧和兼性厌氧的微生物吸收到细胞后在有氧过程中彻底氧化为,CO,2,和,H,2,O,或者不完全氧化生成,有机酸类简单有机物在缺氧条件下由厌氧菌或者兼性厌氧菌通过发酵作用或者无氧呼吸进行分解，生成有机酸、醇类、酮、醛等未完全氧化产物,多糖类,脂肪类,蛋白质类,木质类,单糖类,含碳有机物的好氧分解一般途径,甘油+脂肪酸类,氨基酸类,芳香族单体,丙酮酸,乙酰,CoA,TCA,循环,CO,2,+H,2,O+NH,3,有机碳化合物的厌氧分解和甲烷的产生,微生物分解有机物的作用总括如下：,复杂有机物,微生物,胞外酶,简单有机物,好氧微生物,厌氧微生物,胞内酶,胞内酶,CO,2,+H,2,O,CO,2、,H,2,O、H,2、,CH,4、,H,2,S,及有机酸、醇、酮、醛未完全氧化产物,石油勘探与碳素循环,厌氧条件下未彻底分解的有机物积累，经地质学过程变为煤、石油等而脱离碳循环。

人类将之开采出来，用作燃料、化工原料等，从而使它们重新加入碳循环与石油伴生的气态成分是由,甲烷、乙烷和丙烷组成的混合物,在产油区，这些气体可渗漏到地面，为利用烃类的微生物提供营养其中的乙烷往往仅与石油伴生，因此，可通过检测利用,乙烷,的微生物来可靠地发现石油贮藏地石油所含主要组分为烃类许多屑的细菌、霉菌、酵母菌以及某些放线茵都可利用并降解烃类3、水环境的碳素循环,二、氮素的生物循环（,nitrogen cycle）,二、,有机氮化物,（蛋白质、核酸和其他有机氮化合物）,自然界的氮素物质主要有三种形态：,一、是,分子态氮,（,N,2,），,存在于大气中,三、是铵盐、硝酸盐等,无机态氮化物,（,NH,4,+,，NO,3,-,）,自然界的氮素循环的主要转化过程：,1.生物固氮作用（,biological nitrogen fixation）,微生物在常温常压下直接利用,分子态的（,N,2,）,将之还原为,氨（,NH,3,）,的过程，是氮素循环的重要环节固氮微生物,：能进行的固氮作用的微生物，也称为固氮菌,共生固氮,联合固氮,自生固氮,单独存在条件下能够进行固氮,与特定植物共同生活，,形成独特的组织结构,生活在特定的生物体内，,不形成特定结构,目前已经确定固氮微生物的包括古细菌、真细菌、放线菌和蓝细菌等，,至今还未发现能固氮的真核微生物,2.硝化作用(,nitrification),即在土壤或水体中的,氨态氮,经化能自养细菌的氧化，而成为,硝酸态氮,的过程。

硝化作用分两个阶段进行,氨,亚硝酸,硝酸,亚硝化细菌,硝化细菌,硝化作用是氮循环不可缺少的一环，但对农业生产并无,多大利益,由于硝化细菌的作用，能使硫酸铵转变为硝酸和硫酸，从而增加环境的酸性有时反而会造成氮肥的流失和水体的富营养化.,3.硝酸盐同化作用(,assimilatory nitrate reduction),几乎一切绿色植物和多种微生物都可利用,硝酸盐,作氮素营养源，在利用过程中，硝酸盐被重新还原成,NH,4,后再被利用于合成各种,含有氮机物,，这就是硝酸盐的同化作用4.氨化作用(,ammonification,),即,含氮有机物,经微生物的分解产生,氨,的作用,含氮有机物主要是蛋白质、尿素、尿酸和几丁质等,5.铵盐同化作用(,assimilation of ammonium),由所有绿色植物和许多微生物进行的以,铵盐,作为营养，合成氨基酸、蛋白质、核酸和其他,含氮有机物,的作用，称为铵盐同化作用6.异化性硝酸盐还原作用,(,dissimilatoty,nitrate reduction),指,硝酸离子,作为呼吸链的末端电子受体从而被还原为,亚硝酸,的反应7.反硝化作用(,denitrification,),又称脱氮作用,广义的反硝化作用是指由,硝酸,还原成,N0,2,-,并进一步还原成,N,2,的过程，因而把异化性硝酸盐还原作用也包括在内了。

狭义的反硝化作用仅指由亚硝酸还原成,N,2,的过程反硝化作用是使土壤中氮素损失的重要原因之,水生反硝化细菌可以用于去除污水中的硝酸盐,8.亚硝酸氨化作用,亚硝酸,通过异化性还原可以经,羟氨,而转变成,氨,，这就叫亚硝酸氨化作用,微生物与水环境中的氮素循环,Question,I,magine that you are an atom of nitrogen.Find a comfortable spot on the chart below and enjoy migrating throughout the ecosystem.,三、其他无机元素的生物循环与转化,1.无机元素循环与转化的一般途径,（一）、无机物的有机质化,（二）、含无机元素的有机物的分解,（三）、无机物的氧化与还原分解,（四）、无机物的溶解与沉淀,2.硫循环（,sulphur,cycle),自然界的硫元素一般以以下几个形态存在,S,2-,:,如,H,2,S，R-SH,S,0,：,元素,S,S,4+,:,如,SO,2，,SO,3,2-,S,6+,:,如,SO,4,2-,3.磷的循环(,phosphorus cycle),在生物圈中，磷元素是比较稀缺的。

磷在一切生命形式中都是极其重要的元素在生物体中，它经常以磷酸状态存在细胞内磷含量最多的成分是,RNA,分子DNA、ATP,和细胞膜上的磷脂等都是重要的含磷有机物在生物圈内，磷主要以三种状态存在，即以,可溶解状态存在于水溶液中,；,在生物体内与大分子结合,；,不溶解的磷酸盐大部分存在于沉积物内,微生物对磷的转化起着重要作用天然水体中可溶性磷酸盐浓度过大会造成水体富营养化（,eutrophication,）,（一）.亚硝酸、亚硝胺和硝酸,饮用水中的合氮物质主要为硝酸盐，一般含量很少高于1,ppm,世界卫生组织规定，不能超过10,ppm,农业地区土壤中氮肥下渗，往往使地下水受污染,成年人的耐受能力很高，即使达到0.,4,毫克公斤体重天,饮用水中的过高可以导致新生儿,高铁血红蛋白症,，,使红血球不能带氧而导致婴儿窒息硝酸盐中毒的原理是婴儿胃内酸度低于成年人这一条件有利于硝酸还原细菌的发展，使硝酸盐还原成有毒的亚硝酸盐四.微生物元素循环对环境造成的污染和危害,1.亚硝酸,亚硝酸盐是活性防腐剂，熏制肉食品加硝酸盐或亚硝酸盐NO,2,-,与肌红蛋白反应，使熏制的肉产生令人愉快的红色但是，,NO,2,-,对血红蛋白同样的亲合力引起毒性作用。

在熏肉中残留的,NO,2,-,被限定为200,mg/Kg,亚硝酸还是一种诱变剂,2.亚硝胺的毒性,已知,N,亚硝基化合物(,N,nitroso,),中的亚硝胺(,nitrosamine,),是高度致癌的物质，也是能造成畸胎和引起诱变的物质用,N,亚硝基二甲基胺5,ppm,，,即能使小白鼠致癌在人肠道酸性的情况下，肠道微生物区系能催化下列反应：,可见硝酸盐对人类存在着潜在危险，是致癌物的前体故在饮用水中应保持绝对微量硝酸是硝化作用的终产物，它易溶于水，因此易发生淋溶作用，并随水流失含大量硝酸的地表径流进入天然水体，是引起水体富营养化的重要原因之一3.硝酸,(二)氮氧化物和羟胺,1.氮氧化物,在富含硝酸盐的环境中，微生物可转化硝酸盐生成,NO-，,并可进一步氧化成更毒的,NO,2,2.羟胺,在缺氧，含硝酸盐或铵盐，并有有机物提供碳源的情况下，微生物可转化硝酸盐或铵盐，生成羟胺微生物也可利用乙酰胺、谷氨酰胺或谷氨酸盐生成羟胺羟胺也是一种化学诱变剂思考题：,1）微生物在生态系统中的地位怎样？,2）举例说明微生物在地球生物化学循环中的作用,Thanks for your presence and advice,！,。